CN109068468A - 一种一体化场致发射x射线源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化场致发射X射线源，包括真空容器以及安装于真空容器内的阳极靶以及电子枪，电子枪包括发射阴极和栅极，发射阴极和阳极靶分别安装于真空容器内相对的两端，栅极安装于发射阴极和阳极靶之间；还包括反馈控制电路，反馈控制电路包括阳极电流采样模块、扫描存储模块、非线性调节控制模块以及栅极电压输入模块，阳极电流采样模块的输入端连接至阳极靶电极，非线性调节控制模块的输入端分别连接至阳极电流采样模块和扫描存储模块，非线性调节控制模块的输出端经过栅极电压输入模块连接至栅极电极。本发明使得X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

Description

一种一体化场致发射X射线源

技术领域

本发明X射线源技术领域，特别是通过反馈控制电路调节栅极电压来控制碳纳米管场致发射阴极的发射电流，从而可以使基于场发射的X射线管的工作电流一直处于高度稳定的状态的一体化场致发射X射线源。

背景技术

从发现X射线到现在已经有100多年的历史，X射线在医疗和工业中的作用也越来越受到重视。目前，X射线的主要产生器件—X射线源已经广泛应用于医疗检测成像，生物科学，工业无损检测和材料表征等生产、生活和科研活动中。

传统的X射线管为热阴极X射线管，它的基本原理是通过加热使阴极达到很高的温度使阴极中的电子获得足够的能量从阴极表面逸出，通过热发射产生的电子再通过高压电场加速使其具备很大的动能，最后轰击阳极金属靶通过韧致辐射产生X射线。在传统的X射线管中，一般采用钨金属丝作为热阴极。在阴极电子热发射的情况下，阴极金属丝通常需要加热到几百至一千多摄氏度X射线源才能开始正常工作，热阴极金属丝本身很细，在迅速加热和冷却的条件下非常容易发生断裂，这导致X射线源的使用寿命都不长，同时其稳定性也受到严重的影响。

金属丝热阴极由于其工作原理，要达到X射线源对电流的要求，必然需要一个较长的加热过程将所述阴极金属丝加热到需要的温度。一方面这会导致整个X射线扫描系统启动速度很慢。另一方面，热阴极的电子发射强度受温度直接影响，而想要通过改变灯丝电压进行精确快速调节控制金属丝温度是极其困难的，这也就导致热阴极发射电流的控制难度大大增加。再者，一般的热阴极X射线源都是二极管结构，没有采用栅控结构，这是因为当热阴极工作时金属丝附近的温度极高，栅网在高温条件下很容易发生变形而使发射电流失控。这种二极管结构的X射线管其发射电流就受到灯丝温度和阳极电压的共同作用。因此，基于热阴极的X射线管其工作电流的稳定性主要靠阴极材料本身品质来控制，导致电流的稳定性不够高，难于满足高精度高稳定度的要求，比如仪器分析用X射线管等等。

从电子发射原理来看，由于场发射的独特机理，它是金属内的自由电子在强电场作用下通过势垒穿透的量子效应从金属表面逸出，不用通过加热就能产生电子。可以瞬时启动、功率损耗低、具有优异的开关特性，同时电子束亮度比热阴极高的多，可以获得更高的分辨率和更清晰成像。这些特点都是热阴极不具备的，同时由于不需加热，阴极材料的损耗也大大降低，使用寿命远远超过传统的X射线源。

目前虽然已有部分场发射阴极X射线源成功制备，但其仍存在一些致命问题。特别是电流发射的稳定性非常差，难于满足实用化X射线管的要求。其原因主要有以下几点：1)场发射电流随时间增加容易发生衰减。2)为了更有利于电子发射，场发射阴极通常是由极其细微的尖端结构组成。其直径通常只有几纳米至几十纳米。在大电流工作时温度将升高较快，引起结构的不稳定导致发射不稳定。3)阴极在制备的过程中很容易吸附一些其他的杂质分子，这些杂质在场发射的时候会变得不稳定，从而影响场发射的强度使射线管电流发生波动。4)场致发射原理决定了阴极外加电场超过阈值电场后其发射电流与外加电场呈现非常陡峭的非线性关系，外加电场的微小波动将导致发射电流大的波动。

特别地，场致发射阴极的严重非线性工作状态，如附图1，导致在发射电流进入陡峭变化区后，栅极增加很小的电压ΔV将导致发射电流增加非常快。在接近场致发射阴极的最大发射能力附近时，微小的栅极电压增加将导致场致发射阴极超过本身最大的发射能力而烧毁，烧毁的同时还极易诱发打火而损坏整个阴极。同时，目前的场致发射阴极的稳定发射能力比现在的热阴极相比还有较大的差距，为了在有限面积条件下获得足够的发射电流以满足X射线管的要求，场致发射阴极必须工作在接近最大发射能力的非常陡峭区域内，而该区域工作是非常不稳定的。

稳定的阴极电子发射能力是X射线源在很多应用场合下追求的重要指标。场发射X射线源发射电流受电场强度影响，通过对电压的控制就可以实现更快速、准确的电流强度控制。而且场致发射阴极工作温度低，在现有文献和专利中，将场致发射阴极用于X射线管中，都是基本采用由阴极、栅极和阳极构成的三级管结构，但均采用开环的形式改变栅极电压来调节发射电流的大小。本发明通过对阳极电流的高速实时检测，将其电流误差反馈至栅极电压供给电路，从而快速调整栅极电压来控制场致发射阴极的发射电流，从而使射线源的工作电流处于稳定状态。

现有文献中没有对电流发射的稳定性进行描述，更没有对如何获得高稳定性高精度电流的相关报道。

发明内容

为了克服传统X射线源阴极发射电流不稳定，控制精度低等不足，本发明的目的在于提供一种一体化场致发射X射线源，提供了一种采用全闭环的方式使场致发射阴极X射线源高效实现高稳定度和高精度阳极电流的解决方案，以满足现有成像和分析仪器的要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种一体化场致发射X射线源，包括：真空容器以及安装于所述真空容器内的阳极靶以及电子枪，所述电子枪包括发射阴极和栅极，所述发射阴极和阳极靶分别安装于真空容器内相对的两端，所述栅极安装于发射阴极和阳极靶之间；所述阳极靶、发射阴极以及栅极分别通过阳极靶电极、发射阴极电极以及栅极电极引出到真空容器外；

所述一体化场致发射X射线源还包括反馈控制电路，所述反馈控制电路包括阳极电流采样模块、扫描存储模块、非线性调节控制模块以及栅极电压输入模块，所述阳极电流采样模块的输入端连接至阳极靶电极，所述非线性调节控制模块的两个输入端分别连接至阳极电流采样模块的输出端和扫描存储模块的输出端，所述扫描存储模块的输入端还与阳极电流采样模块的输出端的输入端电性连接，所述非线性调节控制模块的输出端经过栅极电压输入模块连接至栅极电极；

所述阳极电流采样模块接收阳极靶的电流信号，并将所述电流信号与扫描存储模块存储的I-V曲线进行比对，由非线性调节控制模块根据所述比对结果输出控制电压，以调节栅极的电压幅度。

进一步地，所述阳极靶电极与正高压电源连接，所述发射阴极电极接地或者与负高压电源连接，所述发射阴极电极与负高压电源连接时，所述栅极电压输入模块悬浮于所述负高压电源上，以使负高压电源作为基准电压，对栅极的电压幅度进行调节。

进一步地，所述阳极靶电极接地，所述发射阴极电极与负高压电源连接，所述栅极电压输入模块悬浮于所述负高压电源上，以使负高压电源作为基准电压，对栅极的电压幅度进行调节。

进一步地，还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜为金属套筒、单个静电透镜、多个静电透镜的组合以及电磁透镜中的一种；当所述聚焦透镜为金属套筒、单个静电透镜、多个静电透镜的组合其中之一时，聚焦透镜安装于真空容器中，且位于栅极和阳极靶之间；所述聚焦透镜为电磁透镜时，聚焦透镜安装于真空容器外，且电磁透镜产生的磁场部分或全部位于栅极和阳极靶之间，所述聚焦透镜通过聚焦透镜电极接地或者连接电源。

进一步地，所述阳极靶电极与正高压电源连接，所述发射阴极电极接地或者与负高压电源连接，当所述发射阴极电极接地时，所述聚焦透镜电极接地或者与外部的聚焦极电压源连接，当所述发射阴极电极与负高压电源连接时，所述聚焦透镜电极与负高压电源连接、或者与外部的聚焦极电压源连接。

进一步地，所述阳极靶电极接地，所述发射阴极电极与负高压电源连接，所述聚焦透镜电极与负高压电源连接、或者与外部的聚焦极电压源连接。

进一步地，所述发射阴极包括阴极基底、绝缘支座以及场致发射电子源，所述场致发射电子源固定安装于阴极基底上并朝向所述阳极靶，所述阴极基底通过绝缘支座固定安装于真空容器内的第二端，与固定安装于真空容器内的第一端的阳极靶相对设置，所述发射阴极电极的一端与阴极基底电性连接，发射阴极电极的另一端穿过所述绝缘支座延伸至真空容器的外侧。

进一步地，所述场致发射电子源为碳纳米管阵列。

进一步地，所述阳极靶包括阳极绝缘层、阳极支柱和阳极靶本体，其中，所述阳极绝缘层固定于真空容器内的第一端，所述阳极支柱的一端固定于阳极绝缘层上，所述阳极支柱的另一端向真空容器安装有发射阴极的第二端延伸，所述阳极靶本体固定安装于所述阳极支柱的另一端，所述阳极靶电极的一端插入所述阳极支柱中，所述阳极靶电极的另一端延伸至真空容器外侧。

进一步地，所述阳极靶包括阳极绝缘层和阳极靶本体，其中，所述阳极绝缘层为中空的环形结构，所述阳极绝缘层固定于真空容器内的第一端，所述阳极靶本体安装于所述中空的环形结构内，并与安装于真空容器内第二端的发射阴极相对设置，所述阳极靶电极的一端插入所述阳极绝缘层中，所述阳极靶电极的另一端延伸至真空容器外侧。

与现有技术相比，本发明一体化场致发射X射线源，其有益效果在于：

1)实现了传统场致发射X射线源难于实现的阳极电流的高稳定性和高精度，并非常容易实现0.5％-0.05％的阳极电流精度，从而能够确保X射线源在工作时候能获得高稳定的剂量。

2)一体化X射线源中的扫描存储电路对X射线管场致发射I-V特性快速测试并存储，采用以场致发射阴极的实测I-V特性作为栅极电压设定初值和误差放大系数基准，从而可以快速达到设定的阳极电流值，并保持高稳定性。更特别地，能够有效防止场致发射阴极的过流发射并有效避免烧毁，从而使一体化场致发射X射线源的长期工作稳定性和寿命大大提高。

附图说明

图1为本发明一体化场致发射X射线源实施例一的结构示意图；

图2为发射阴极的I-V特性曲线；

图3为四边形栅网的结构示意图；

图4为圆形栅网的结构示意图；

图5为六边形栅网的结构示意图；

图6为本发明一体化场致发射X射线源实施例二的结构示意图；

图7为带有聚焦透镜的电子枪的结构示意图；

图8为本发明一体化场致发射X射线源实施例三的结构示意图；

图9为本发明一体化场致发射X射线源实施例四的结构示意图；

图10为本发明一体化场致发射X射线源实施例五的结构示意图；

图11为本发明一体化场致发射X射线源实施例六的结构示意图；

图12为本发明一体化场致发射X射线源实施例七的结构示意图；

图13为本发明一体化场致发射X射线源实施例八的结构示意图；

图14为本发明一体化场致发射X射线源实施例九的结构示意图；

图15为本发明一体化场致发射X射线源实施例十的结构示意图。

图中：1、真空容器；2、阳极靶；21、阳极绝缘层；22、阳极靶电极；23、阳极支柱；24、阳极靶本体；3、聚焦透镜；31、聚焦透镜电极；4、发射阴极；41、栅极；42、场致发射电子源；43、阴极基底；44、栅极电极；45、绝缘支座；46、发射阴极电极；5、阳极电流采样模块；6、扫描存储模块；7、非线性调节控制模块；8、栅极电压输入模块；9、正高压电源；10、负高压电源；11、聚焦极电源。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明针对场致发射阴极的极度非线性现象，本发明设计了由场致发射X射线管、可高速反馈调制的栅极电源以及相应高压电路组成的一体化的高精度和高稳定度X射线源。

实施例一

请参照图1所示，一种一体化场致发射X射线源，包括场致发射X射线管、可高速反馈调制栅极电源的反馈控制电路以及辅助电源组成，其中，所述场致发射X射线管包括真空容器1以及安装于所述真空容器内的阳极靶2以及电子枪，所述电子枪包括发射阴极4和栅极41，所述发射阴极和阳极靶分别安装于真空容器内相对的两端，所述栅极安装于发射阴极和阳极靶之间；所述阳极靶、发射阴极以及栅极分别通过阳极靶电极22、发射阴极电极以及栅极电极44引出到真空容器外。

所述反馈控制电路包括阳极电流采样模块5、扫描存储模块6、非线性调节控制模块7以及栅极电压输入模块8，所述阳极电流采样模块的输入端连接至阳极靶电极，所述非线性调节控制模块的两个输入端分别连接至阳极电流采样模块的输出端和扫描存储模块的输出端，所述扫描存储模块的输入端还与阳极电流采样模块的输出端的输入端电性连接，所述非线性调节控制模块的输出端经过栅极电压输入模块连接至栅极电极。

所述阳极电流采样模块接收阳极靶的电流信号，并将所述电流信号与扫描存储模块存储的I-V曲线进行比对，由非线性调节控制模块根据所述比对结果输出控制电压，以调节栅极的电压幅度。

发射阴极包括阴极基底43、绝缘支座45以及场致发射电子源42，所述场致发射电子源固定安装于阴极基底上并朝向所述阳极靶，所述阴极基底通过绝缘支座固定安装于真空容器内的第二端，与固定安装于真空容器内的第一端的阳极靶相对设置，所述发射阴极电极46的一端与阴极基底电性连接，发射阴极电极的另一端穿过所述绝缘支座延伸至真空容器的外侧。

场致发射电子源与阴极基底保持同电位。栅极与场致发射电子源的端平面严格平行，以保证发射阴极发射电流的均匀性。

场致发射电子源为碳纳米源阵列或者其他场发射材料。获取碳纳米源阵列的场致发射电子源的方法是在一衬底上垂直原位生长碳纳米源阵列，然后在固定到阴极基底上，其具体包括以下步骤：

1、采用硅材料(当然，也可以是其他半导体或金属材料)作为衬底，在衬底上通过光刻机刻蚀直径为5μm的碳纳米管阵列的掩膜图形；

2、利用真空镀膜设备通过真空蒸镀、磁控溅射镀膜、CVD镀膜等真空镀膜等手段之一在刻蚀了碳纳米管阵列的掩膜图形的衬底上制备多层金属合金层，形成含缓冲层的三明治型催化剂结构，催化剂结构包括自下而上依次设置的应力缓冲层、粘附缓冲层、催化剂分散层和催化剂层，所述应力缓冲层位于衬底和粘附缓冲层之间；其中应力缓冲层由钼、铬、金、钽、铌、钛、锆等金属材料的一种或者上述金属材料的多种组成，粘附缓冲层可以由铂、铜、金、钌、铁、钯、铂、镍、银、铑、锑、钴等金属的一种或者多种组成，催化剂分散层由铝、氧化铝或者其他氧化物组成，催化剂层由铁、钴、镍等一种金属元素或者以上几种元素混合组成。应力缓冲层的厚度范围为10-2000nm、粘附缓冲层的厚度范围为10-2000nm、催化剂分散层的厚度范围为1-30nm，和催化剂层的厚度范围为1-30nm。

3、采用剥离方法获得直径为5μm的催化剂层，采用微波等离子体化学气相沉积方法或者等离子体增强化学气相沉积方法或者其他化学气相沉积方法在衬底上有催化剂的地方原位生长碳纳米管阵列，得到直径为5μm左右的碳纳米管阵列。得到的碳纳米管阵列可以是圆形、方形、同心圆环、特殊环状以及跑道形状的任一种，当然也可以是其他形状。

4、将制备好碳纳米管阵列的衬底固定到金属材料制成的发射阴极基底上形成发射阴极。

栅极可采用图3所示网状栅网结构、图4所示圆形栅网结构、图5所示六边形栅网结构或者其他结构，栅极为耐高温的金属材质。栅极位于场致发射电子源的正上方，两者之间间距为20到1000μm之间，或者采用内置式栅极，本发明正是通过调节栅极的电压大小来实现对发射阴极的发射电流的控制。

本实施例一中，场致发射X射线管为侧开窗结构，侧开窗结构和端窗结构仅在于阳极靶的安装方式不同。请参照图1所示，阳极靶包括阳极绝缘层21、阳极支柱23和阳极靶本体24，其中，所述阳极绝缘层固定于真空容器内的第一端，所述阳极支柱的一端固定于阳极绝缘层上，所述阳极支柱的另一端向真空容器安装有发射阴极的第二端延伸，所述阳极靶本体固定安装于所述阳极支柱的另一端，所述阳极靶电极的一端插入所述阳极支柱中，所述阳极靶电极的另一端延伸至真空容器外侧。阳极靶本体靠近阴极基底的端面与阴极基底之间存在一定的夹角，该夹角成锐角。

由于场致发射阴极的特殊性，在碳纳米管阵列表面场强达到开启场强后，将发射电子。在达到阈值电压后，发射电流将明显增加。随后随着栅极的电压增加而急剧增加，达到最大发射能力附近后，一点点微小的电压增加都将导致场致发射阴极烧毁。碳纳米管的场致发射阴极和其他场致发射阴极一样，为典型的非线性关系，在理想情况下满足以下的F-N公式。

其典型发射特性如图2所示。由图2场发射的I-V特征曲线可以看出，当场致发射起始段，随栅极的电压增加电流增加缓慢，变化率也比较小。当栅极电压超过一定值后，电流随栅极电压的增加而增加非常快，但均呈现非线性关系。特别地，由于场致发射阴极再接近本身所能提供的最大发射电流附近时，栅极电压微小的一点点增加，就可能使阴极过流而烧毁并引起打火使阴极损坏，甚至使整个X射线源工作失控并彻底损坏。为了使场致发射阴极在整个区域内均能一直处于稳定的工作状态，本发明的阳极取样反馈电路对取样值进行不但进行误差判别，还进行电流大小进行判别，根据场致发射当前的工作区域给出相应的栅极电压控制信号，比如在低电流发射区，给出的较高的栅极电压误差值，以最快速度电压以获得所需要的阳极电流。类似地，当判断场致发射阴极电流比较大，也就是说碳纳米管工作在陡峭区域内时，给出的栅极误差电压将比较小，以快速动态控制碳纳米管阴极的发射电流使阳极电流达到设定值。重要地，避免了阴极在陡峭发射区域因栅极电压调节幅度过大引起电流迅速增加而烧毁的现象。

阳极电流采样模块与阳极靶电极连接，负责对X射线源的阳极电流进行实时取样，并将取样信号进行调制输入到扫描存储模块和高灵敏度的非线性调节模块中。

快速扫描模块的核心功能是对碳纳米管X射线管的I-V特性进行快速扫描，并存储，然后非线性调节控制模块的误差放大系数将以此I-V特性作为参考，以调制栅极的电压输出。例如，在新装X射线管后，先进行I-V特性扫描获得该X射线管的场致发射阴极的I-V特性并存储起来。在后面的实际工作中，根据用户需要的设定阳极电流值查找相应的栅极电压，同时并进行碳纳米管场致发射区域判定，根据发射区域判定设定相应的误差放大系数，然后进行阳极的电流的快速跟踪调整。比如在起始发射区，则给出相对高的误差放大系数，以快速跟踪达到设定的电流值。如果是在陡峭发射区，则给出相对低的误差放大系数，以在防止碳纳米管场致发射过流发射烧毁的情况下快速跟踪到设定的电流值。当然，本发明中所述过程全是电路自动完成的。在后续的工作中，如果场致发射发射阴极出现和初始状态有较大差异时，用户可以重启动I-V特性快速扫描模块以获得最新的阴极的场致发射特性数据。

非线性调节控制模块通过对阳极电流采样模块的电流信号以及扫描存储模块提供的误差放大系数信号结合确定栅极电压需要调节的数值，并控制最后的栅极电压输入模块输出合适的栅极电压。辅助电源是产生X射线管工作时的正高压、负高压或者正负高压，供给阳极靶或者阴极端使用。

本发明的一体化X射线源工作时，首先根据用户对X射线管的要求在扫描存储模块设定相应的阳极电流值，设定好后启动X射线源。阳极电流采样模块对X射线源的阳极电流进行实时取样，将取样信号传递到扫描存储模块中然后和设定相应的阳极电流值进行比较，根据误差动态的调节电压放大系数，然后非线性调节控制模块根据阳极电流采样模块的电流信号和扫描存储模块传递出的增益信号确定需要改变的具体的电压值并通过栅极电压输入模块实时增强或减弱栅极电压，当阳极电流减弱，则栅极电压根据I-V特性进行增加从而提高阴极电子发射强度达到增加阳极电流的目的，反之则减小栅极电压。由于调制反馈和响应的速度极快，从而动态地控制场致发射阴极的发射电流，使其到达阳极的电流满足起始的阳极电流设定值，并一直进行跟踪恒流工作。以此过程，就可以使工作电流一直保持在一个相当稳定的数值。

在本实施例一中，采用单端正高压电源9的辅助电源，即阳极靶电极接正高压电源，发射阴极电极接地，栅极外接反馈控制电路。经过实践，实施例一的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

实施例二

实施例二在实施例一的基础上进行的改进，其电子枪结构中增加了聚焦透镜3，请参照图6和7所示，在栅极和阳极靶之间设置聚焦透镜，聚焦透镜为金属套筒、单个静电透镜、多个静电透镜的组合以及电磁透镜中的一种；当所述聚焦透镜为金属套筒、单个静电透镜、多个静电透镜的组合其中之一时，聚焦透镜安装于真空容器中，且位于栅极和阳极靶之间；所述聚焦透镜为电磁透镜时，聚焦透镜安装于真空容器外，且电磁透镜产生的磁场部分或全部位于栅极和阳极靶之间，聚焦透镜通过聚焦透镜电极31接地或者连接电源。

在本实施例二中，采用单端正高压电源的辅助电源，具体是阳极靶电极接正高压电源，发射阴极电极和聚焦透镜电极等电位，均接地，栅极外接反馈控制电路。经过实践，实施例二的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

实施例三

实施例三与实施例一大致相同，区别在于本实施例三采用双端正负高压电源的辅助电源，请参照图8所示，双端正负高压电源的连接方式是阳极靶电极接正高压电源，发射阴极电极接负高压电源10，栅极外接反馈控制电路。此种情况下，栅极电压输入模块悬浮于该负高压电源上，所谓的悬浮，即是栅极电压输入模块具有两个输入端，其中一个输入端与非线性调节控制模块的输出端相连，另外一个输入端与负高压电源相连，即将负高压电源作为基准电压源与非线性调节控制模块的输出信号进行比对，在通过栅极电极对栅极电压的幅度进行调节。经过实践，实施例三的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

实施例四

实施例四是在实施例三的基础上增加了聚焦透镜，该聚焦透镜的结构和位置请参照实施例二的内容。本实施例四同样采用双端正负高压电源的辅助电源，请参照图9所示，双端正负高压电源的连接方式是阳极靶电极接正高压电源，发射阴极电极和聚焦透镜电极等电位，均接负高压电源，栅极外接反馈控制电路，栅极电压输入模块悬浮于该负高压电源上。经过实践，实施例四的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

实施例五

实施例五是在在实施例三的基础上增加了聚焦透镜，该聚焦透镜的结构和位置请参照实施例二的内容。本实施例五同样采用双端正负高压电源的辅助电源，请参照图10所示，双端正负高压电源的连接方式是阳极靶电极接正高压电源，发射阴极电极接负高压电源，聚焦透镜电极与外部设置的聚焦极电源11连接，用于通过调节聚焦透镜的电压来获取符合要求的X射线束斑，栅极外接反馈控制电路，栅极电压输入模块悬浮于该负高压电源上。经过实践，实施例五的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能，X射线有效束斑可以根据需要由聚焦电压进行调整。

实施例六

实施例六和实施例二的区别在于聚焦透镜电极连接不同，请参照图11所示，阳极靶电极接正高压电源，发射阴极电极接地，聚焦透镜电极与外部设置的聚焦极电源连接，用于通过调节聚焦透镜的电压来获取符合要求的X射线束斑，栅极外接反馈控制电路。经过实践，实施例六的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能，X射线有效束斑可以根据需要由聚焦电压进行调整。

实施例七

实施例七与实施例一的区别在于采用单端负高压电源的辅助电源，请参照图12所示，阳极靶电极接地，发射阴极电极接负高压电源，栅极外接反馈控制电路，栅极电压输入模块悬浮于该负高压电源上。经过实践，实施例七的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

实施例八

实施例八与实施例四的区别在于采用单端负高压电源的辅助电源，请参照图13所示，阳极靶电极接地，发射阴极电极和聚焦透镜电极等电位，均接负高压电源，栅极外接反馈控制电路，栅极电压输入模块悬浮于该负高压电源上。经过实践，实施例八的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

实施例九

实施例九与实施例四的区别在于采用单端负高压电源的辅助电源，请参照图14所示，阳极靶电极接地，发射阴极电极接负高压电源，聚焦透镜电极与外部设置的聚焦极电源连接，用于通过调节聚焦透镜的电压来获取符合要求的X射线束斑，栅极外接反馈控制电路，栅极电压输入模块悬浮于该负高压电源上。经过实践，实施例九的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能，X射线有效束斑可以根据需要由聚焦电压进行调整。

实施例十

实施例十与实施例一的区别在于采用端窗结构的场致发射X射线管，请参照图15所示，所述阳极靶包括阳极绝缘层21和阳极靶本体，其中，所述阳极绝缘层为中空的环形结构，所述阳极绝缘层固定于真空容器内的第一端，所述阳极靶本体安装于所述中空的环形结构内并且与真空容器内的第一端壁相贴合，阳极靶本体与安装于真空容器内第二端的发射阴极相对设置，所述阳极靶电极的一端插入所述阳极绝缘层中，所述阳极靶电极的另一端延伸至真空容器外侧。其余结构和原理与实施例一相同，这里不再赘述。经过实践，实施例十的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

实施例十一至十八

实施例十一至十八分别对应实施例二至九，将实施例二至九中的侧开窗的场致发射X射线管替换成端窗的场致发射X射线管，分别形成实施例十一至十八中的结构，端窗X射线管的结构请参照实施例十。经过实践，实施例十一至十八的X射线源电流波动很小，具有极好的X射线稳定发射性能。

本发明在本发明中创新性使用了阳极电流采样模块，通过反馈控制电路调节栅极电压来控制碳纳米管场致发射阴极的发射电流，从而可以使基于场发射的X射线管的工作电流一直处于高度稳定的状态，克服了基于场致发射X射线管发射电流波动很大的缺点。与其他的传统X射线源相比具有更高的稳定性和更高精度的电子发射控制能力。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种一体化场致发射X射线源，其特征在于包括：真空容器以及安装于所述真空容器内的阳极靶以及电子枪，所述电子枪包括发射阴极和栅极，所述发射阴极和阳极靶分别安装于真空容器内相对的两端，所述栅极安装于发射阴极和阳极靶之间；所述阳极靶、发射阴极以及栅极分别通过阳极靶电极、发射阴极电极以及栅极电极引出到真空容器外；

所述一体化场致发射X射线源还包括反馈控制电路，所述反馈控制电路包括阳极电流采样模块、扫描存储模块、非线性调节控制模块以及栅极电压输入模块，所述阳极电流采样模块的输入端连接至阳极靶电极，所述非线性调节控制模块的两个输入端分别连接至阳极电流采样模块的输出端和扫描存储模块的输出端，所述扫描存储模块的输入端还与阳极电流采样模块的输出端的输入端电性连接，所述非线性调节控制模块的输出端经过栅极电压输入模块连接至栅极电极；

所述阳极电流采样模块接收阳极靶的电流信号，并将所述电流信号与扫描存储模块存储的I-V曲线进行比对，由非线性调节控制模块根据所述比对结果输出控制电压，以调节栅极的电压幅度。

2.根据权利要求1所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述阳极靶电极与正高压电源连接，所述发射阴极电极接地或者与负高压电源连接，所述发射阴极电极与负高压电源连接时，所述栅极电压输入模块悬浮于所述负高压电源上，以使负高压电源作为基准电压，对栅极的电压幅度进行调节。

3.根据权利要求1所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述阳极靶电极接地，所述发射阴极电极与负高压电源连接，所述栅极电压输入模块悬浮于所述负高压电源上，以使负高压电源作为基准电压，对栅极的电压幅度进行调节。

4.根据权利要求1所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：还包括聚焦透镜，所述聚焦透镜为金属套筒、单个静电透镜、多个静电透镜的组合以及电磁透镜中的一种；当所述聚焦透镜为金属套筒、单个静电透镜、多个静电透镜的组合其中之一时，聚焦透镜安装于真空容器中，且位于栅极和阳极靶之间；所述聚焦透镜为电磁透镜时，聚焦透镜安装于真空容器外，且电磁透镜产生的磁场部分或全部位于栅极和阳极靶之间，所述聚焦透镜通过聚焦透镜电极接地或者连接电源。

5.根据权利要求4所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述阳极靶电极与正高压电源连接，所述发射阴极电极接地或者与负高压电源连接，当所述发射阴极电极接地时，所述聚焦透镜电极接地或者与外部的聚焦极电压源连接，当所述发射阴极电极与负高压电源连接时，所述聚焦透镜电极与负高压电源连接、或者与外部的聚焦极电压源连接。

6.根据权利要求4所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述阳极靶电极接地，所述发射阴极电极与负高压电源连接，所述聚焦透镜电极与负高压电源连接、或者与外部的聚焦极电压源连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述发射阴极包括阴极基底、绝缘支座以及场致发射电子源，所述场致发射电子源固定安装于阴极基底上并朝向所述阳极靶，所述阴极基底通过绝缘支座固定安装于真空容器内的第二端，与固定安装于真空容器内的第一端的阳极靶相对设置，所述发射阴极电极的一端与阴极基底电性连接，发射阴极电极的另一端穿过所述绝缘支座延伸至真空容器的外侧。

8.根据权利要求7所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述场致发射电子源为碳纳米管阵列。

9.根据权利要求1-6任一项所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述阳极靶包括阳极绝缘层、阳极支柱和阳极靶本体，其中，所述阳极绝缘层固定于真空容器内的第一端，所述阳极支柱的一端固定于阳极绝缘层上，所述阳极支柱的另一端向真空容器安装有发射阴极的第二端延伸，所述阳极靶本体固定安装于所述阳极支柱的另一端，所述阳极靶电极的一端插入所述阳极支柱中，所述阳极靶电极的另一端延伸至真空容器外侧。

10.根据权利要求1-6任一项所述的一体化场致发射X射线源，其特征在于：所述阳极靶包括阳极绝缘层和阳极靶本体，其中，所述阳极绝缘层为中空的环形结构，所述阳极绝缘层固定于真空容器内的第一端，所述阳极靶本体安装于所述中空的环形结构内，并与安装于真空容器内第二端的发射阴极相对设置，所述阳极靶电极的一端插入所述阳极绝缘层中，所述阳极靶电极的另一端延伸至真空容器外侧。